Cuando los materiales alcanzan escalas de tamaño extremadamente pequeño, Empiezan a suceder cosas extrañas. Uno de esos fenómenos es la formación de mescristales.

A pesar de estar compuesto por cristales individuales separados, Los mescristales se unen para formar un estructura fusionada que se comporta como un puro, cristal individual. Sin embargo, estos procesos ocurren a escalas demasiado pequeñas para que el ojo humano los vea y su creación es extremadamente difícil de observar.

Debido a estos desafíos, los científicos no habían podido confirmar exactamente cómo se forman los mescristales.

Ahora, una nueva investigación realizada por un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) utilizó técnicas avanzadas de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para ver la forma de mescristales en solución en tiempo real. Lo que vieron va en contra de la sabiduría convencional y sus conocimientos podrían algún día ayudar a los científicos a diseñar materiales para el almacenamiento de energía y comprender cómo se forman los minerales en el suelo.

En lugar de que los cristales individuales se nucleen, el paso que comienza la formación de cristales, y luego agregando aleatoriamente en mescristales en dos pasos no relacionados, los investigadores observaron que la nucleación y la unión estaban estrechamente acopladas en la formación de estas estructuras altamente uniformes. Los investigadores informaron de su trabajo el 18 de febrero de 2021 edición de Naturaleza .

"Nuestros hallazgos identifican una nueva e importante vía de cristalización por adhesión de partículas y resuelven cuestiones clave sobre la formación de mescristales, ", dijo el científico de materiales de PNNL y de la Universidad de Washington, Guomin Zhu. Formó parte del equipo de investigación dirigido por Jim De Yoreo, Científico de materiales de PNNL y codirector del Instituto Noroeste de Física de Materiales, Química, y Tecnología. "Sospechamos que este es un fenómeno generalizado con implicaciones significativas tanto para la síntesis de nanomateriales diseñados como para comprender la mineralización natural". "Agregó Zhu.

Viendo la cristalización en tiempo real

El proyecto tardó años en ejecutarse y requirió una importante resolución de problemas. Para los experimentos de microscopía, el equipo científico eligió un sistema modelo que incluía hematita, un compuesto de hierro que se encuentra comúnmente en la corteza terrestre, y oxalato, un compuesto naturalmente abundante en el suelo.

Visualizaron el proceso utilizando TEM in situ, lo que brinda a los investigadores la capacidad de ver la cristalización a escala nanométrica a medida que ocurre. Combinaron este método en tiempo real con TEM de "congelar y mirar" que les permitió seguir un cristal individual en diferentes puntos durante el crecimiento. Los cálculos teóricos ayudaron a completar el cuadro, permitiendo al equipo de PNNL reconstruir cómo crecieron los mescristales.

Los investigadores generalmente ejecutan la mayoría de los experimentos TEM in situ a temperatura ambiente para simplificar la configuración experimental y minimizar la posibilidad de dañar el instrumento sensible. pero la formación de mescristales lo suficientemente rápida como para observar ocurre alrededor de los 80 ° C.

"El equipo adicional utilizado para calentar las muestras hizo que los experimentos fueran extremadamente desafiantes, pero sabíamos que los datos serían clave para comprender cómo se estaban formando los mescristales, "dijo Zhu.

Una vez calentado, los nuevos nanocristales de hematita facilitan que se unan rápidamente, que lleva, de media, a mescristales finales de aproximadamente el mismo tamaño y forma.

Mesocristales en la naturaleza

La clave química de este rápido La unión confiable son las moléculas de oxalato presentes en la solución. Después de que se formen los primeros cristales pequeños, los aditivos de oxalato ayudan a crear un gradiente químico en la interfaz del líquido y el cristal en crecimiento. Más componentes químicos necesarios para la nucleación de partículas permanecen cerca de los cristales, lo que aumenta drásticamente la probabilidad de que se formen nuevas partículas cerca de las existentes.

Si bien esta vía de crecimiento de cristales se observó en condiciones controladas a escalas muy pequeñas, Es probable que también ocurra en sistemas naturales. según los investigadores. Algunos depósitos minerales, incluido un depósito de hematites australiano, contienen mescristales. Dada la abundancia natural de oxalato y la observación del equipo de PNNL de que la hematita puede convertirse en mescristales a temperaturas tan bajas como 40 ° C, parece plausible que esta ruta de formación se produzca en la naturaleza.

Debido a que los mescristales se encuentran en toda la naturaleza, los hallazgos se pueden aplicar para comprender el ciclo de nutrientes en el medio ambiente, entre otras aplicaciones. Es más, La ruta hacia la creación de estructuras complejas casi uniformes requiere una comprensión de cómo funcionan los métodos para formar tales materiales y cómo controlarlos. Así este trabajo, apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía, División de Ciencias Químicas, Geociencias, y biociencias, abre nuevas posibilidades para crear intencionalmente mescristales o materiales similares a mescristales.